胡海軍

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司， 廣東珠海 519000)

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600 MW機(jī)組汽輪機(jī)DEH伺服控制系統(tǒng)雙冗余改造

胡海軍

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司， 廣東珠海 519000)

摘要：根據(jù)汽輪機(jī)DEH伺服控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了汽輪機(jī)DEH伺服控制系統(tǒng)冗余改造方案，大大減少了因伺服控制系統(tǒng)LVDT、伺服卡等裝置配置不當(dāng)造成汽輪機(jī)閥門波動的可能性，從而提高汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)； 雙冗余控制； 閥位反饋

汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)伺服控制系統(tǒng)安全可靠性不高，可能造成汽輪機(jī)控制不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，甚至損壞汽輪機(jī)部件。目前投運(yùn)的大型火電機(jī)組DEH多由汽輪機(jī)制造廠家配套提供，由于安全理念和設(shè)計(jì)思路不同，部分DEH存在一定的安全隱患，也曾多次引起保護(hù)誤動作。筆者介紹了一種國產(chǎn)600 MW機(jī)組DEH伺服控制系統(tǒng)的雙冗余改造案例，此改造大大減少了因伺服控制系統(tǒng)線性可變差動變送器(LVDT)、伺服卡等裝置配置不當(dāng)造成汽輪機(jī)閥門波動的可能性，從而提高汽輪機(jī)DEH的可靠性。

1DEH伺服控制系統(tǒng)概況

某發(fā)電公司汽輪機(jī)是N600-24.4/566/566型超臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，其DEH伺服控制系統(tǒng)示意圖見圖1。

汽輪機(jī)運(yùn)用由純電調(diào)和液壓伺服系統(tǒng)組成的DEH， 其控制部分和機(jī)組DCS為一體化設(shè)計(jì)，采用I/A S分散控制系統(tǒng)，伺服控制部分采用汽輪機(jī)制造廠FBMSVH伺服模塊。

FBMSVH伺服模塊接收DEH給出的閥門設(shè)定值信號，根據(jù)安裝在閥門(油動機(jī))上的LVDT調(diào)制解調(diào)出行程反饋信號，通過閉環(huán)控制對油動機(jī)伺服閥(MOOG閥)發(fā)出電流信號調(diào)整閥門開度，同時(shí)輸出閥位開度反饋至DEH[1]。當(dāng)汽輪機(jī)超速時(shí)，DEH發(fā)出的OPC清零指令信號至各高、中壓調(diào)節(jié)閥伺服模塊，將閥門關(guān)閉。當(dāng)汽輪機(jī)跳閘時(shí)，DEH發(fā)出的跳閘清零指令信號送至所有閥門伺服模塊，將閥門關(guān)閉。伺服模塊采用±15 V直流雙路冗余電源。

FBMSVH伺服模塊通過調(diào)整電位器LVDT-S、LVDT-Z來調(diào)整LVDT輸出電壓，通過調(diào)整電位器R-S、R-Z來調(diào)整閥位輸出電流，通過設(shè)置撥碼開關(guān)S-1、S-2、S-3、S-4來設(shè)置閉環(huán)控制的比例和積分作用(見圖2)。

2改造前的伺服控制系統(tǒng)

改造前的伺服控制系統(tǒng)存在以下問題：

(1) 閥門(油動機(jī))行程的測量使用單支LVDT，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不支持雙支LVDT冗余配置。由于LVDT線圈磨損、接線松脫等原因，會造成閥門誤關(guān)閉或打開，不利機(jī)組安全運(yùn)行。

(2) FBMSVH伺服模塊存在反饋信號漂移問題，使得閥門控制行程與實(shí)際行程存在偏差。當(dāng)偏差較大時(shí)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥擺動，影響機(jī)組的協(xié)調(diào)控制品質(zhì)。

(3) FBMSVH伺服模塊零位滿度調(diào)整繁瑣，需通過電位器及撥碼開關(guān)手動調(diào)整。

(4) 伺服控制系統(tǒng)硬件損壞率高。

(5) 伺服控制系統(tǒng)的自動化程度低，無法監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)各實(shí)時(shí)參數(shù)，如LVDT電壓、閥門設(shè)定值電壓、伺服閥(MOOG閥)指令電流等，沒有基本的故障自診斷功能，無法測試閥門遲緩率[2]。

(6) 汽輪機(jī)的伺服控制系統(tǒng)部分閥門FBMSVH伺服模塊OPC/TRIP硬接線清零功能不正常，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

3DEH伺服控制系統(tǒng)雙冗余改造

3.1 XDC800雙伺服控制系統(tǒng)

針對該機(jī)組DEH原伺服控制系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合國內(nèi)DEH伺服控制系統(tǒng)主流設(shè)計(jì)理念，該機(jī)組汽輪機(jī)閥門伺服控制回路冗余改造最終采用XDC800雙伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)為1個(gè)油動機(jī)配置2套伺服模件及端子板，分別輸出一路伺服信號到伺服閥，接收一路位移反饋信號LVDT到伺服模件，構(gòu)成伺服系統(tǒng)冗余雙閉環(huán)回路，保證伺服系統(tǒng)的高可靠性。2塊伺服控制模塊接受同一閥門的2路指令信號(4～20 mA)，并根據(jù)2路LVDT反饋信號智能高選，計(jì)算伺服線圈電流的大小，實(shí)現(xiàn)對閥門位置的控制(見圖3)。

改造后的伺服控制系統(tǒng)為數(shù)字控制系統(tǒng)，包括1臺上位機(jī)、2臺控制處理器、3對以太網(wǎng)通信模塊、1塊DO模塊和20對伺服模塊及端子板，新系統(tǒng)采用2路24 V直流電源冗余供電。

改造后伺服控制系統(tǒng)的功能示意圖見圖4。

上位機(jī)通過雙絞線和xCU控制權(quán)連接， 作為系統(tǒng)的人機(jī)接口，可監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)，如LVDT電壓、閥門設(shè)定值電壓、MOOG閥指令電流等。通過上位機(jī)對各伺服模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置調(diào)整，也可對報(bào)警邏輯等進(jìn)行組態(tài)，并可實(shí)現(xiàn)對各油動機(jī)遲緩率的測試功能(原系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)該測試)。

xCU控制器和xCC以太網(wǎng)通信模塊也通過雙絞線連接，控制器主要實(shí)現(xiàn)各邏輯控制功能，而以太網(wǎng)通信模塊的功能是各IO模塊和控制器之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)通信模塊、DO模塊和xSV伺服模塊都連接在內(nèi)部總線上，伺服模塊和端子板則采用預(yù)制電纜連接。

xSV模塊采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)，其核心為高性能16位單片機(jī)，因此相對原FBMSVH伺服模塊的模擬電路，有較好的穩(wěn)定性，避免電位漂移。

3.2 伺服系統(tǒng)智能選擇

改造后的伺服控制系統(tǒng)采用的雙冗余閉環(huán)控制回路，汽輪機(jī)各閥門改造時(shí)都配置了雙伺服卡及端子板，現(xiàn)場均安裝了雙LVDT。該伺服系統(tǒng)的控制是智能選擇的，整個(gè)閉環(huán)控制的循環(huán)時(shí)間為10 ms，其中的A/D部分②實(shí)現(xiàn)DCS控制指令信號和LVDT的反饋信號的采樣。板載CPU①對采得的信號進(jìn)行判斷和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果從D/A部分③輸出，并經(jīng)功放環(huán)節(jié)④驅(qū)動后即為伺服閥線圈控制電流。

在伺服閥線圈控制電流輸出的最后環(huán)節(jié)，串聯(lián)一個(gè)自殺繼電器，在模塊發(fā)生故障時(shí)可以通過控制這個(gè)繼電器，實(shí)現(xiàn)故障模塊的切除(見圖5)。

3.2.1 LVDT智能高選位置反饋方式

DEH的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門位置伺服控制回路組成的閉環(huán)控制裝置，跟隨閥門移動的閥門位移傳感器將閥門的位置信號轉(zhuǎn)換為電氣信號，作為伺服控制回路的負(fù)反饋。計(jì)算機(jī)輸出的閥門位置指令信號與閥門位置反饋信號相等時(shí)，閥門被控制在某一位置?？梢婇y門位置反饋信號在閥門伺服控制回路中是一個(gè)非常重要的信號。該信號的可靠性直接關(guān)系到閉環(huán)控制裝置的可靠性。一般選用可靠性比較高的LVDT作為位置反饋的傳感器。通常的反饋方式有：LVDT單通道位置反饋，LVDT雙通道高選位置反饋，LVDT智能高選位置反饋以及三冗余反饋幾種方式。改造后采用的是LVDT智能高選位置反饋方式。該方式增加LVDT信號偏差大報(bào)警、自動判別并切除故障信號，信號超出正常范圍則輸出為低限值，以便高選另一個(gè)正常值等邏輯判斷能力，使兩只LVDT實(shí)現(xiàn)真正的雙冗余，將系統(tǒng)故障率降到最低。具體判斷如下：

(1) LVDT斷線判斷。

V(all)=V(滿位)-V(零位)

(1)

當(dāng)V(輸入)<[V(零位)-10%V(all)]或者V(輸入)>[V(滿位)+10%V(all)]時(shí)，即LVDT電壓超出正常量程的10%時(shí)，判斷對應(yīng)的LVDT斷線，自動選擇另一支LVDT信號。

(2) LVDT高選。

當(dāng)兩支LVDT電壓都正常時(shí)，隨機(jī)選擇一路LVDT進(jìn)行控制(假設(shè)選擇第一路LVDT電壓控制)，當(dāng)|V(a)-V(b)|>0.08 V時(shí)，V=Max(V(a),V(b))，切換到第二路LVDT控制，當(dāng)|V(a)-V(b)|>0.08 V時(shí)，V=Max(V(a),V(b))，再次切換到第一路LVDT控制，如果電壓沒超過0.08 V，則繼續(xù)在第二路LVDT控制。

(3) 當(dāng)兩支LVDT都斷線時(shí)，V=5 V，關(guān)閉閥門。

3.2.2 DCS指令智能低選

改造后的DEH伺服系統(tǒng)同一閥門的兩塊伺服卡的DCS指令信號實(shí)現(xiàn)智能低選，此功能設(shè)計(jì)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。具體判斷如下：

(1) 當(dāng)伺服指令偏差值|C(a)-C(b)|<10%時(shí)(0%

(2) 當(dāng)伺服指令偏差值|C(a)-C(b)|>10%時(shí)(C=Min(C(a),C(b)), 兩塊卡件均輸出C到伺服閥。

(3) 報(bào)警1，伺服指令偏差大于5%，即0.2 V時(shí)報(bào)警。

(4) 報(bào)警2，當(dāng)伺服指令偏差大于10%，即0.4 V時(shí)報(bào)警。

(5) 指令范圍為4～20 mA，當(dāng)指令小于2 mA時(shí)，認(rèn)為斷線，此時(shí)跟蹤另外一塊卡的伺服指令。

4結(jié)語

該機(jī)組DEH伺服控制系統(tǒng)冗余改造后，實(shí)現(xiàn)了閥門控制系統(tǒng)的冗余切換功能，即在單側(cè)LVDT故障、接線松動、伺服卡件等故障的情況下，均可實(shí)現(xiàn)閥門無擾切換；同時(shí)增加了上位機(jī)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測雙路LVDT、MOOG閥電流、伺服卡等運(yùn)行情況，發(fā)生故障提前告警、提前檢修；冗余模塊和端子板支持在線熱插拔，可不停機(jī)無風(fēng)險(xiǎn)對部件進(jìn)行替換檢修，縮短檢修時(shí)間，降低維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)；伺服模塊更換方便，只需將調(diào)試后備份的參數(shù)導(dǎo)入新的模塊即可，使得系統(tǒng)的可維護(hù)性得到顯著改善；提高了控制調(diào)節(jié)效果，由于消除了電位漂移現(xiàn)象，解決了閥門控制行程與實(shí)際行程存在偏差的問題，使得汽輪機(jī)閥門控制精度較原系統(tǒng)高，尤其表現(xiàn)在機(jī)組啟動時(shí)的轉(zhuǎn)速控制更平穩(wěn)，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行時(shí)負(fù)荷控制更穩(wěn)定；冗余系統(tǒng)配置的兩個(gè)伺服端子板都可以輸出LVDT高選后的閥門反饋信號，目前只有一個(gè)端子板的反饋信號輸出至DCS，另外一個(gè)端子板的反饋信號輸出可以專門用于試驗(yàn)使用，大大降低了機(jī)組運(yùn)行時(shí)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊慶柏，郭永樹. DEH的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[J]. 東北電力技術(shù),1998,19(8):27-29.

[2] 朱北恒，孔長生. 火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗(yàn)[M]. 北京：中國電力出版社,2005.

Dual-Redundancy Retrofit of a 600 MW Steam Turbine DEH Servo Control System

Hu Haijun

(Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co., Ltd., Zhuhai 519000, Guangdong Province, China)

Abstract：According to the design safety principles of a steam turbine DEH servo control system and related standards, a retrofit scheme was proposed for the system redundancy, which greatly reduced the possibility of the turbine valve fluctuations caused by improper configuration of the servo control system LVDT, the servo card or other devices, thus improving the reliability of the turbine DEH servo control system.

Keywords：steam turbine DEH control system; dual-redundancy control; valve position feedback

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：胡海軍(1980—)，男，工程師，主要從事汽輪機(jī)熱控系統(tǒng)維護(hù)工作。E-mail: jinwanhhj@163.com

中圖分類號：TK323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0202-04